JP2928251B2

JP2928251B2 - 内部改質を行う燃料電池

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Publication number: JP2928251B2
Application number: JP63308745A
Authority: JP
Inventors: 秀和藤村; 昌治伊藤; 成嘉小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-12-08
Filing date: 1988-12-08
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JPH02155170A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、反応ガスまたは、反応生成ガスを電池に導
入，排出される燃料電池に関わり、特に、燃料電池供給
ガス用炭化水素分をその内部で改質することができる燃
料電池，該燃料電池システム，および該燃料電池の運転
操作方法に関する。

〔従来の技術〕

リン酸電池および溶融炭酸塩電池のような燃料電池に
おいて、燃料供給ガスの炭化水素分を内部で改質するこ
とは既知である。このような炭化水素分は通常、比較的
電気化学的に不活性なメタンを含有しているが、改質さ
れることにより、電気化学的に活性で燃料電池の反応に
寄与する水素，一酸化炭素を生成する。燃料電池内での
改質は、改質反応が吸熱反応であるため、運転中に電池
内で発生する熱を利用できる点で有利である。すなわ
ち、内部改質によって、燃料電池の冷却系統の負荷を軽
減することができるからである。

特開昭55−12700号公報には、燃料電池の熱制御に炭
化水素の改質反応の使用が記載されている。電池中の電
解質から隔離された通路内に改質触媒を配置させること
により、電解質の蒸気による触媒劣化を防止させるとと
もに、改質反応とプロセスガスの顕熱を同時に利用した
熱制御を行うものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、電解質から隔離された炭化水素の改
質のみを行う第１の通路と、それと並置されたいわゆる
従来から存在する電極へガスを供給する第２の通路のそ
れぞれの入口には共通のガスが供給される電池構造とな
っている。すなわち第１の通路と第２の通路のガス供給
源が共通している。このため、燃料供給ガス中に含まれ
る炭化水素分は、第１の通路を通った場合のみ改質され
て排出されるが、電気化学反応には寄与しない。第２の
通路に入ったガスの炭化水素分は改質されないため、電
気化学反応に寄与する水素などのガスの分圧は極めて低
くなり、性能が低くなる点についての考慮がなされてい
ない。このため電池から排出された第１の通路と第２の
通路のガスを混合して再循環させる方式をとらざるを得
なくなり、システム上、大きな制約を受けるとともに再
循環系に対して補助動力源が付加されることになりシス
テムの効率を考えた場合好ましくない。また、たとえ再
循環方式をとっても、電池入口では常に新しい炭化水素
を含む燃料供給ガスと混和されているため、その分だけ
水素などの電気化学反応に寄与する反応種の分圧低下に
よる電池性能の低下は避けられない。

また前記公報には電池を直列にして使用する際のカス
ケード方式が記載されているが、これは先行電池中の炭
化水素改質ガスを後続電池の反応通路に供給して電気化
学反応を起こす方法であるが、先行電池と後続電池とで
は、ガス流量，ガス組成，ガス温度などの条件を等しく
することは困難であり、各電池間で性能差や電池温度差
が発生することは避けられない。

すなわち従来技術では、単電池ごとに燃料供給ガスを
改質し、その改質ガスを用いて発電する方式あるいは構
造にはなっておらず、電気化学反応に寄与する改質ガス
は、再循環によって得るか、あるいは先行電池から得る
以外になく、それに伴う欠点は前述の通りである。

さらに上記従来技術においては、コンパクト性及び熱
制御面から電解質から隔離された通路と反応通路とが隣
接して交互に並べられるが、それぞれの通路の両端部は
開口されており、電解質から隔離された通路とはいえ、
反応通路内の電解質蒸気が拡散により、隣り合う両通路
の端部の開口部を通して流入することは避けられない。
従って電解質から隔離された通路内に配置された改質触
媒が隣接する通路からの電解質により劣化し、寿命を考
えた場合、問題が残る。

本発明の目的は、コンパクトで、電解質による改質触
媒の活性低下を防止し、単電池内で、供給燃料ガスの改
質とその改質ガスを用いて電気化学反応による発電を行
う燃料電池を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、改質反応の吸熱作用とプ
ロセスガスの顕熱を利用し、高性能な熱制御や温度分布
均一化を行うことである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、アノードガス，カソードガスを仕切るガ
ス分離板をはさんで、それぞれの電極との間に形成され
るガス流路を形成する空間部において、従来と同様の電
極と流体的に連絡して電気化学反応を行う流路とそれと
は別に、電極と流体的に隔離された通路を形成させ、そ
の隔離された通路内に原燃料であるメタンの改質を行う
改質触媒を配置するとともにその通路の出入口が、電極
と直接接する通路と流体的に隔離された位置に設け、ま
た、流路にガスを導くためのマニホールドも、他のガス
と混同しないように独立して設けることにより達成され
る。さらに、電極と隔離された通路内で改質されたガス
だけが電極と直接接する通路に導入されることにより達
成される。

出入口を異にする流体的に隔離された通路を形成する
ため、集電のために必要不可欠な分離板と電極との接触
を図るために分離板と電極間に組入れられる波形、ある
いは凹凸シート板の表裏を利用し、分離板とシート材に
よって形成される、電極と直接接しない流路の両端部を
閉塞させ、もう一方の電極とシート材によって形成され
る流路の両端部に設けられる出入口部との流体的な連絡
を遮断することによって達成される。さらに、両端を閉
塞された、電極と隔離された通路の出入口部を、分離板
をはさんで、反対側に設けるとともに、通路両端近傍の
分離板に貫通孔を設け、この開口部を通じて、分離板の
反対側から通路へのガスの供給や、ガスの排気を行うも
のである。従って、各セルへガスを供給するためのマニ
ホールドと上記出入口部とを連絡する通路が、分離板上
に形成され、マニホールドから供給されるガスはその通
路を通って入口部に入り、そこから分離板に空けられた
開口部を通して分離板の反対側に位置する電極と隔離さ
れ、両端を閉塞された通路に導入される、通路からの排
気も同様に開口部を通じて出口部に導入され、出口マニ
ホールドに連絡することによって行われる。また、出入
口部として、分離板をはさんで反対側に位置するもう一
方の両端が閉塞され、電極と隔離された通路のうち、最
も外側に位置する２つの両辺端の通路をそれぞれマニホ
ールドと、分離板に設けた開口部を連絡する出入口部と
することにより達成される。

また、電池の温度分布の均一化を図るためには冷却用
ガスを１方向からではなく、複数の方向からの分散供給
や、電池内の高熱部に吸熱反応である改質反応を集中的
に行わせるようなガス流れを実現することにより達成さ
れる。具体的には、上記の流路構造により、カソード，
アノードガスまたそれ以外の２種類のガスを、同一辺に
最大２種類までの流体を、４辺の任意の辺から流すこと
が可能であることを考えれば、上記の様なガス流れを実
現することは充分に可能である。

また、電池の効率的な熱制御を行うためには、電気ヒ
ーター以外のガスによる加熱手段あるいは保温方法を有
効に用いることが望ましい。そのためには、発電プラン
ト内で生成される、種々の精製されていないダーティー
なガスでも利用できなければならず、電極などを阻害し
ない伝熱を行う通路を設けることにより達成される。

すなわち、本発明は、電極、電解質、ガス流路を含む
燃料電池において、ガス分離板の両側にそれぞれ電極を
配設し、各電極とガス分離板との間に、電極と接し電極
において電気化学反応を生じる流体が流れる第１の流体
通路を配設するとともに、電極と隔離され、しかも電極
の熱発生面と熱的に連絡している第２の流体通路を配設
し、第１の流体通路と第２の流体通路が隔壁を介して相
互に接し、かつ第１の流体通路と第２の流体通路へのガ
スの導入部が異なり、第２の流体通路の両端出入口部
が、隣接する第１の流体通路の両端の出入口部と連絡で
きないように閉塞されていることを特徴とする。

前記第１及び第２の流体通路はガス分離板と電極の間
に波状の隔壁を介して形成され、ガス分離板は第２の流
体通路の閉塞された両端部近傍内に貫通する開口部を有
し、その開口部を通して第２の流体通路内にガスを給排
気するガス出入口部を、ガス分離板を挟んで第２の流体
通路の反対側に設けることができる。

また、電池内にガスの給排を行うガスマニホールドと
第２の流体通路の出入口部を含み、流体的に第２の流体
通路とのみ開口部を通して連絡する通路あるいはガスヘ
ッダーを第２の流体通路の反対側のガス分離板上に設け
ることができる。

第２の流体通路内に改質触媒を配置し、第２の流体通
路に炭化水素を含むガスを流すことができる。

〔作用〕

ガス分離板と電極との間に形成される２種類の通路の
うち、電極と隔離された通路は、その中で供給燃料ガス
を改質するが、電解質と通じる電極側に開いた通路とは
出入口が別なため、電解質と通じる通路からの電解質の
蒸気が侵入が防がれ、その結果、電極と隔離された通路
内の触媒は、長時間にわたり活性を低下させることがな
い。

また、本発明によれば、分離板をはさんで位置するも
う１つの電極と隔離された独立な通路が存在するが、そ
の通路も前述した改質用通路とすることにより２つの異
なる方向から供給ガスを導入できるため、一方向のみよ
り、さらに効率良く電池の冷却が行える。すなわち従来
に比べて分散してガスを電池内に導入できるので、入口
部での急激な吸熱反応が緩和され、面内全体での発熱量
と吸熱量のバランスを面内温度分布が均一になるように
制御することがより容易に行えることになる。

場合によっては、改質通路の代わりに改質ガス側とは
反対極側のプロセスガスを流すことによりやはり異なる
２つの方向からのプロセスガス導入が可能となり一方向
のみの流れよりも電池内の温度分布均一の面からより効
率の良い冷却を行うことができる。

さらに１つの形式として、上記の電極と隔離された通
路には、反応通路とも流体的に隔離されているため、冷
却以外に電池の保温，昇温といった熱制御においても、
反応ガスと全く関係のない熱媒体や電極を劣化させるよ
うな熱媒体を流しても何ら問題は生じないので、システ
ムを考えた場合、ヒーターによる温度制御に代わるより
効率の高い熱の運用方法が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例１本発明の一実施例を第１図〜第２図により説明する。

本発明の流体構造の基本構成を第１図に示す。互いに
直交する波形部材1a,1bに分離板２が介在し、上記波形
部材と密着させることにより、3a,3b,3c,3dと４つの流
路が構成されることになる。本発明では、そのうちの分
離板２と上記波形部材1a,1bにより囲まれた流路3a,3dの
流路の両端部のすべての開口部100のみ閉塞されてい
る。従って、例えば200の方向から入ってくる流体は流
路3bのみを、201の方向から入ってくる流体は流路3cの
みを流れることになる。次に上記の両端を閉塞された流
路3dの入口部は、分離板２を隔てた、上記流路3aのうち
の端部の流路4aの側面101aを開口し、さらに分離板２
に、流路3dに通じる貫通穴102を設けることにより達成
される。すなわち、例えば202の方向から流入する流体
は、開口部101aに流入し、次に上記貫通穴102を通って
流路3dを流れることになる。同様に、もう１つの両端を
閉塞された流路3aに関しても、流路3dの端部の流路4bに
開口部101bを設け、さらに分離板に流路3aと通ずる貫通
穴を設けることにより、例えば流体203の入口部を形成
できる。また、それぞれの出口部についても残りのそれ
ぞれのもう１方の端部側を先と同様の構造とすればよ
い。

なお流体の入口，出口部における流体201と202あるい
は流体200と203との混合は、分離板２により完全に防止
される。

第２図及び第３図は、第１図を補足するための断面図
であるが、第１図における一組の流路構成体を複数個積
層するため、新たに必要となるマニホールドを含めた構
成となっている。

第２図は上記流体202の流れを示すもので、流体202の
みが通る入口マニホールド5aを流れる流体202の分離板
２の下側に位置する流路3c,3dへは、マニホールド部材
７により流入が防げる。流体202は上記分離板２の上側
に位置する上記マニホールド部材７の開口部８を通っ
て、上記端部波形流路4aの開口部101aに流入し、上記貫
通孔102を通り、上記両端を閉塞された流路3dを流れ、
貫通孔102を通り端部流路4aから出口マニホールド5bに
導かれる。

第３図は同様に流体201の流れを示すものである。流
体201は流体201のみが流れる入口マニホールド6aを流
れ、分離板２の下側の上記マニホールド部材７の開口部
８を通り、流路3cを流れ、出口マニホールド6bに導かれ
る。この場合も、マニホールド6a,6bに面したもう一方
の流路4aとはマニホールド部材７によりその流入が防止
されている。

以上、本発明により、分離板をはさんで互いに直交す
る形で設けられた波形形状の流路構成体及びその積層体
において、その大きさや外観上の形状を殆ど変えること
なく、最もコンパクトな形で、最大４種類の流体を、ま
た、同一辺には最大２種類までの流体を４辺の任意の辺
からそれぞれ独立して流すことができる。

実施例２次に本発明の流路構成体を応用した具体的な機器につ
いての実施例として内部改質を伴う溶融炭酸塩型燃料電
池を例に説明する。

第４図は、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池の流路
部構成要素を示すものである。アノードガラス204とカ
ソードガス205を分離し混合を防ぐセパレータ板２にカ
ソード側流路を形成する波板1a、アノード側流路を形成
する波板1bが密着して接する。その際、上記波板1a,1b
とセパレータ板により形成される通路の両端部100は全
て閉塞されている。また、上記セパレータ板２には、周
囲４辺に5a〜5pまで16個のマニホールド用の貫通穴が空
けられている。また、その内側に多数の小孔102がやは
り４辺に設けられている。次にマニホールドを構成する
カソード側枠7a,アノード側枠7bが上記セパレータ板２
と接着される。その際、セパレータ板２に設けたマニホ
ールド用貫通穴５と枠7a,7bに設けたマニホールド用貫
通穴５とは一致する。枠7a,7bのマニホールド用貫通穴
５は、各辺において１つおきに内向きに開口部８が設け
られている。しかもセパレータ板上に両枠が接着された
ときに、枠7a,7bではとちらか１方にのみ開口部８が配
置されるようになっており、この開口部を通じてのみ、
流路３とマニホールド間の連絡が可能となる。

第５図に、上記流路部構成要素体と電極9a,9bを上下
両側に備えた電解質板10とが交互に積層された、複数個
の電池を積層した積層電池の断面図を示す。なお、この
積層電池の上下には、外部から電池内にガスを供給した
り、あるいは外部へ排ガスとして排出するためのガスヘ
ッダ部11,12が備わっている。

説明の都合上、流路構成体Ａは、第４図のマニホール
ド5f（5h）〜５φ（5m）間の切断図とし、同じくＢは5g
（5e）〜5n（5p）間の断面図を示すものとする。

流路構成体Ａ側に示すように、アノードガス204は、
アノードガス供給口19から、アノード入口ヘッダー14に
入り、その後、該ヘッダーと連絡している入口マニホー
ルド5f,5h内を流れ、入口側の開口部８を通って、電極9
bと接する第１の流体通路である流路3bを流れる。電極9
b内で電気化学反応を行い、出口側開口部８を通り、排
ガス207となって、出口マニホールド５φ,5mを通り、ア
ノード出口ヘッダー13に集められた後にアノード排気口
17を通って系外に排出される。

同様に、カソードガス205に関しても、図には示され
ていないが、ガスヘッダー部11あるいは12に位置するカ
ソード入口ヘッダーから第４図の入口マニホールド5b,5
dを通って、アノードガスと直角方向の第１の流体通路
である流路3cを流れ、電極9a内でカソード電極反応を生
じ、出口開口部８を通って、出口マニホールド5k,5iを
通って、図には示されていないが、やはりガスヘッダー
部11,12に設けられているカソード出口ヘッダーに集め
られ、系外へ排出される。

従来の電池の場合、波形シート材１によってアノー
ド，カソード側それぞれに形成される、もう１つの流路
3a,3dについては、それぞれ隣り合う流路3b,3cを流れる
ガスと同一のガスを流す他なかった。本発明の電池で
は、例えば第２の流体通路である流路3aについて言えば
入口マニホールド5e,5g、出口マニホールド5n,5pは他の
マニホールドと独立しており、また、該マニホールドと
連絡する出入口ヘッダー16,15も独立して設けられてい
る。さらに、流路3aの電極9bとも波形シート材１により
隔離されている。従って、特に電気化学反応に関係な
く、ガス206を独立に流すことができる。それはカソー
ド側の第２の流体通路である流路3dについても同様であ
る。

本実施例では、電池本体内で原燃料であるメタンを改
質して電気化学反応を生じさせる、いわゆる内部改質型
燃料電池に適用している。第６図に本実施例の電池本体
の断面図を示す。改質前のメタンを含む原燃料ガス208
は、ガス供給口18からアノード入口ヘッダー16に集めら
れ、ここから、複数の入口マニホールド5Bを通って、各
セルへ分配されることになる。すなわち入口マニホール
ド5Bから、マニホールド枠に設けた開口部８を通り、セ
パレータ板２に設けられた開口部102を通で流路3aに導
入される。流路3a内には、改質触媒30が配置され、流路
3a内で水素リッチなガスに改質され、開口部102,開口部
108を通り出口マニホールド5Bへ導かれる。流路3aは他
の流路及び電極9a,9bと隔離されているために、電解質
板10から電極9a,9bを通して流路内3b,3cに発生する電解
質蒸気の流路3aへの侵入が防止でき、改質触媒は電解質
蒸気の凝縮による付着によって生じる活性低下をまぬが
れることができ、電池の長寿命化が図れることになる。
なお、改質後のガス204は、出口マニホールド5Bを通
り、一旦、ガスヘッダー15に入り、さらに、ガスヘッダ
ー15と流体的に連絡している別のマニホールド5Aを通っ
て、今度は、流路3aと隣合う流路3bに開口部８を通って
導入される。流路3bは電極9bと接しており、電気化学反
応を生じながら、隣接する改質反応を行う流路3a内のガ
ス流れとは逆方向に進む。流路3bの出口に達したガス
は、開口部８を通って出口マニホールド5Aを通り、出口
アノードヘッダー14に集められ、排気口17を通り排ガス
207となって電池から排出される。なお、流路3bには流
路3aを出た改質ガスのメタン改質率をさらに高めるため
に、従来と同様に改質触媒30を配置してもよい。

また、本実施例では、改質反応を生じる流路3aと電気
化学反応を生じる流路3bのガス流れが互いに逆方向とな
っている。これにより従来に比べて、電池面内の温度分
布をより均一にすることが可能となる。その効果を第７
図を用いて説明する第７図には本実施例と従来例におけ
るアノードガス流れ方向の温度分布を示す。従来例では
原燃料及び改質ガスの流れ方向が同じである。一般にガ
ス入口温度はガスの顕熱を利用して電池を冷却するた
め、電池温度よりも低い。このため、ガスの入口部付近
の電池温度は面内で最も低い温度となりやすく下流側へ
行くほどガス温度も上昇するので顕熱による冷却効果も
小さくなり、電池温度が高くなる。従来の場合、原燃料
が改質される際の吸熱現象がさらに加わるため入口付近
の温度はますます低下することになり、最悪の場合、溶
融温度である490℃前後まで下がることも考えられる。
逆に下流側では、改質反応が終了しているために大きな
吸熱効果は得られず、温度が高くなり、面内の温度分布
の不均一が大きくなることは避けられない。それに比べ
て本実施例では、原燃料と改質ガスの入口が互いに反対
側に設けられており、流れ方向は対向する。このため改
質後の反応ガスが流れる原燃料通路と隣接する通路にお
いて比較的高温となる出口付近が熱源となり、原燃料入
口付近の温度低下は避けられ、面内温度分布をより均一
にすることができる。

従来、第７図のようにアノードガス（改質ガス）とカ
ソードガス（酸化剤）が直交して流れる場合、第８図に
示すように両者の下流部付近50の温度が最も高くなる場
合が多い。そこで、本実施例よりもさらに面内温度分布
を均一にする他の実施例を第８図に示す。第８図では原
燃料は辺61に対して均一に流入するのではなく、高温域
60に流れるガス流量を多くし、改質量を増やし、高温域
60における吸熱量を増やすことにより、高温域を局所的
に冷却する方法を示している。なお原燃料ガスの面内流
量分布の制御は、第６図の開口部102の開口面積を変え
ることにより行うことができる。

実施例３他の実施例は、第６図に示す電極と隔離された分離板
をはさんで反対側に位置するよう１つの流路3d内にも改
質触媒を配置し、第９図に示すように２つの方向から分
散させて原燃料ガスを導入することもできる。流路3a及
び流路3dで改質されたガスは、出口マニホールドを通っ
て、一旦、電池内のガスヘッダーに導入され、その後、
電気化学反応を行う通路3bの入口に通ずるマニホールド
へ導かれる。一般に改質触媒を設けると流路面積が減少
し圧損が増加する。また先の実施例のように一部の流路
に集中してガスを流しても圧損が増加し、補助動力が増
える。２方向から別々の流路に分散することにより、こ
の欠点が補える。さらにより大きな効果としては、流路
3aと3dは互いに直交するため、そして、それぞれの流路
を流れる流量分布が先に述べた開口面積を変えることに
より独立に制御できるため、２組の１次元流量分布を組
合わせることにより２次元の流量分布制御が可能であ
り、このことはより精度よく面内の吸熱分布が制御で
き、ひいては、面内温度分布をより均一化することが可
能となる。

電極と隔離された２つの通路のうち第６図の流路3d
に、カソード側のプロセスガスを流し、カソードプロセ
スガスが１つのセル内で第10図に示すように対向して流
すことも可能であり、同図に示すように、ガスを分散し
て導入できるのでプロセスガス入口温度を低くしても入
口近傍の温度低下を抑えることができるので最高温度が
低くなり、温度分布均一の効果がある。

実施例４今まで述べてきた実施例においては、改質反応通路を
出るメタンの改質率が温度，圧力，入口ガス組成により
定まる平衡値よりも、大きくなることは理論的に不可能
である。特に電池圧力が高くなると平衡改質率は低下す
る傾向にある。これよりさらに改質率を上げるために
は、前述の如く、電気化学反応通路3bにも触媒を導入す
る必要があった。しかし、通路3b内の触媒は電解質が付
着しやすい環境におかれているため、劣化しやすく寿命
の問題が残る。もう１つの方法はリサイクルを行い、電
気化学反応後の水分を多量に含む排ガスを原燃料ガスと
混合させることである。これによりスチーム／カーボン
比を高くすることができ、その結果、メタンの平衡改質
率も高くなる。しかしながらリサイクルする反応後の排
ガス中には電解質蒸気が含まれており、このため徐々に
流路3aに置かれた触媒が劣化することになる。

第11図に、触媒の寿命を出来るだけ長く延ばすことを
目的としたリサイクル方式の実施例を示す。通路3aで改
質された平衡ガスは、一旦出口マニホールドを通って電
池内のガスヘッダー41に入り、そこで、電池から排出さ
れ、再循環された反応ガス207と混合され、もう１つの
電極と隔離された通路3dに通ずるマニホールドを通る。
通路3dには改質触媒が配置されており、再循環ガス207
に含まれる水分の影響により、通路3dを出た改質ガス中
に含まれるメタン濃度の平衡値は通路3a出口よりもさら
に小さくなる方向に進み、通路3d出口における改質率は
さらに高くなる。この改質ガスは通路3d出口と通ずるマ
ニホールドを通り、一旦、ガスヘッダー42に導かれ、そ
こから反応通路3bに通ずるマニホールドを通って、第６
図の電極9bに導かれる。このように改質反応を２段階に
分けて行う本実施例では、少なくとも通路3aの改質触媒
はリサイクルの影響を受けないため、再循環ガス中に含
まれる電解質蒸気による触媒活性低下が避けられる。メ
タン改質の大半はこの通路3a内で行われ、再循環ガスが
混在する通路3dでの改質割合は比較的小さく、従って通
路3d内の触媒の負担は通路3a内の触媒に比して比較的軽
い。また２つの通路に触媒を配置できるので電池内の触
媒量も増やすことができる。以上のことから電解質の触
媒に与える影響は小さくなり、触媒全体としての寿命は
延びることになる。従来技術では再循環系にガス中の電
解質を除去する装置が不可欠となっていたが、本実施例
では、そのような装置がなくても、触媒の寿命を延ばす
ことが可能となる。

実施例５上記に示した燃料の改質や電池の冷却以外にも電池に
は非発電時における昇温，降温，あるいは保温といった
熱制御もプラント運転上必要となる。本発明による他の
実施例として電池本体の熱制御システムの１例を第12図
に示す。電池本体40は、先述のように４つの独立した通
路3a,3b,3c,3dを有している。このうち、電極と連絡す
る通路3b,3cには、それぞれ改質ガス、カソードプロセ
スガスが流れる。また、原燃料を改質するための通路は
先述のように電極と隔離された通路3aが用いられる。

残る通路3dは電極と隔離された通路であり、熱制御の
目的に応じて、種々のガスが流れることになる。先ず、
冷却用にはカソードプロセスガスライン302の分岐点50
からプロセスガスの一部を分岐し、分岐ライン303を通
り流量調整弁52により制御されたプロセスガスが通路3d
に導入し、通路3cを対向して流れるプロセスガスと合わ
せて先述した電池冷却を行う。あるいは、別な冷却方法
の選択として、これも先述したが、改質反応を利用した
吸熱作用による電池の冷却がある。この場合は通路3dに
も改質触媒を配置しておく必要がある。原燃料ライン30
1の分岐点56から分岐された原燃料の１部が分岐ライン3
06を通り、流量調整弁54により流量制御され通路3dに導
かれ、改質後、電池外へ排出される。あるいは改質ガス
の１部、あるいは全部を分岐ライン305に通し、流量調
整バルブ51,57により流量制御を行った後に電気化学反
応を行わせるために通路3bに導入することもできる。こ
のように冷却に関して２種類の冷却方法を選択すること
ができることの利点として、電池の負荷，供給ガス，流
量，ガス温度などの種々の運転条件においてに、よりフ
レキシブルに最適な冷却が行えることである。なお、通
路3d内の改質触媒は、カソードプロセスガス導入時には
酸化されるため、原燃料ガスを流す場合には、水素を通
ガスして還元する必要があることをことわっておく。ま
た、冷却媒体として、原燃料ガスやカソードプロセスガ
ス以外の媒体を独立して流すことも可能である。この場
合は前記ガスよりも熱容量や熱伝導度の大きい媒体を選
べば、冷却ガス量が減らせるため、補助動力が少なくて
済みシステムの効率が向上する。

次に、非発電時における電池の昇温，保温といった加
熱操作も本システムで行うことができる。すなわち、高
温の熱媒体が流れるライン300から、流量調整弁53によ
り流量制御された熱媒体を必要に応じて、通路3dに流す
ことにより電池に熱の供給を行うことができる。最も得
られやすい熱媒体として、燃焼ガスなどが挙げられる。
燃焼ガス中には、電極の活性を低下させる有害物質SOx
やNOxなどが含まれているが、通路3dは電極と隔離され
た通路となっているため、このような電極に悪影響を及
ぼすガスでも熱媒体として用いられるため、加熱用ヒー
ターの代用も考えられ、加熱用媒体の選択幅が拡がるこ
と、浄化装置も不要になることと合わせて、システムの
構成が簡単となり効率の向上及びコスト低減にもつなが
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料改質を行う通路への電解質の侵
入が防げるため、改質触媒の寿命を向上する効果が得ら
れる。

また、供給ガスを異なる方向から分散させて導入する
ことや、常時反応ガス以外のガスの導入も可能なため、
面内温度分布の均一化が図れ、電池の信頼性，寿命，性
能などが向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の流路構造の斜視図、第2,第
３図は第１図にマニホールド部を加えたＩ−Ｉ及びII−
II縦断面図、第４図は組立斜視図、第５図（ａ），
（ｂ），第６図（ａ），（ｂ）はその縦断面図、第７図
（ａ）〜（ｃ）は従来例と本発明の他の実施例の比較説
明図、第８図〜第９図は本発明の他の実施例におけるガ
スフロー概略図、第10図（ａ）〜（ｃ）は従来例と本発
明の他の実施例の比較説明図、第11図は本発明の他の実
施例のガスフロー概略図、第12図は本発明の他の実施例
の電池周囲を含むガスフローシステム概略図である。１……波形シート部材、２……ガス分離板（セパレータ
板）、３……流路、5,6……マニホールド、８……マニ
ホールド開口部、９……電極、10……電解質板、30……
改質触媒、100……端部閉塞部、102……流路開口部、20
4……アノードガス、205……カソードガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−155664（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−163264（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−119167（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−95061（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電極、電解質、ガス流路を含む燃料電池に
おいて、ガス分離板の両側にそれぞれ電極を配設し、前
記各電極と前記ガス分離板との間に、該電極と接し該電
極において電気化学反応を生じる流体が流れる第１の流
体通路を配設するとともに、該電極と隔離され、しかも
該電極の熱発生面と熱的に連絡している第２の流体通路
を配設し、該第１の流体通路と該第２の流体通路が隔壁
を介して相互に接し、かつ該第１の流体通路と該第２の
流体通路へのガスの導入部が異なり、該第２の流体通路
の両端出入口部が、隣接する第１の流体通路の両端の出
入口部と連絡できないように閉塞されていることを特徴
とする燃料電池。
【請求項２】前記第１及び第２の流体通路は前記ガス分
離板と前記電極の間に波状の隔壁を介して形成され、該
ガス分離板は該第２の流体通路の閉塞された両端部近傍
内に貫通する開口部を有し、該開口部を通して該第２の
流体通路内にガスを給排気するガス出入口部を、該ガス
分離板を挟んで該第２の流体通路の反対側に設けたこと
を特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】電池内にガスの給排を行うガスマニホール
ドと前記第２の流体通路の出入口部を含み、流体的に該
第２の流体通路とのみ開口部を通して連絡する通路ある
いはガスヘッダーを該第２の流体通路の反対側の該ガス
分離板上に設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料
電池。
【請求項４】前記第２の流体通路内に改質触媒を配置
し、該第２の流体通路に炭化水素を含むガスを流すこと
を特徴とする請求項１、２又は３記載の燃料電池。